phân tích các kiến thức cơ bản phần “từ trường

CHƯƠNG IV : TỪ TRƯỜNGNỘI DUNG Phần I:Từ trường gồm các khái niệm: tương tác từ, từ trường, từ trường đều, từ trường Trái Đất, đường sức từ, cảm ứng từ, sự từ hóa các chất, hiện tượng từ

MỞ ĐẦU

Học phần nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thông có nhiệm vụ nghiêncứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức được thể hiện trong sách giáo khoaVật lý phổ thông và cách tổ chức dạy học một số kiến thức cụ thể Việc hiểu sâusắc nội dung kiến thức phổ thông và cách trình bày các kiến thức đó trong sáchgiáo khoa là điều kiện cơ bản để giáo viên thực hiện tốt công tác giảng dạy Cũngvới mục đích như vậy nên chúng tôi đã chọn đề tài: ''Phân tích kiến thức phần Từtrường " làm tiểu luận môn học

Trong khuôn khổ tiểu luận này, tôi tập trung vào nhiệm vụ chính là phân tíchcác kiến thức cơ bản phần “Từ trươngf”

Để thực hiện được các nhiệm vụ trên, chúng tôi sử dụng phương phápnghiên cứu lí thuyết để nghiên cứu các tài liệu Bao gồm : thu thập, lựa chọn,phân tích, tổng hợp từ các tài liệu liên quan như sách giáo khoa, sách giáo viên,giáo trình Vật lý đại cương, các tài liệu trên Internet

Trong cách trình bày các kiến thức cơ bản chúng tôi sẽ cố gắng quan tâmnhiều đến ý nghĩa vật lý của kiến thức, hạn chế đến mức tối thiểu việc sử dụng cáccông cụ toán học phức tạp Tuy nhiên, do đặc thù nội dung phần này, các phéptính vec tơ và tích phân cũng được dùng đến nhằm để làm rõ và chính xác kiếnthức

CHƯƠNG IV : TỪ TRƯỜNG

NỘI DUNG

Phần I:Từ trường gồm các khái niệm: tương tác từ, từ trường, từ trường đều, từ trường Trái Đất, đường sức từ, cảm ứng từ, sự từ hóa các chất, hiện tượng từ trễ.Phần II: Từ trường của dòng điện trong các mạch đơn giản

Phần III: Lực từ gồm lực Lo-ren-xơ, Mômen ngẫu lực từ

PHÂN TÍCH CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN

PHẦN I: TỪ TRƯỜNG 2.1 Khái niệm tương tác từ

Từ xa xưa, người ta đã phát hiện ra một số mẫu quặng có khả năng hútđược các vật nhỏ bằng sắt Ban đầu loại quặng đó được gọi là "đá nam châm'', đóthực chất là các nam châm tự nhiên mà ngày nay chúng ta đã biết Mỗi nam châm

có hai cực khác nhau gọi là cực bắc và cực nam Nếu hai cực cùng tên của namchâm ở gần nhau thì chúng sẽ đẩy nhau; nếu hai cực khác tên ở gần nhau thì

chúng hút nhau Sự tương tác giữa các nam châm được gọi là tương

tác từ Như vậy, lịch sử phát hiện ra tương tác từ đã có từ rất lâu, sớm

hơn tương tác điện rất nhiều

Năm 1600, nhà bác học Gin-bơt (William Gillbert, 1540 – 1603)

đã trình bày những cơ sở ban đầu của điện học và từ học đầu tiên

Gin-bơt đã chế tạo một nam châm mà ông gọi là “terralla” và nghiên cứu

tác dụng của một kim nam châm với “terralla” Ông thấy rằng có sự tác

dụng từ giữa chúng Gin-bớt cũng nghiên cứu các hiện tượng điện một cách có hệthống Khi khảo sát các hiện tượng điện và từ, ông đã đi đến kết luận rằng chúnghết sức khác nhau và không có gì liên quan với nhau Như vậy, Gin-bơt đã thấytương tác điện và tương tác từ là hai loại tương tác khác nhau, song ông chưathấy mối quan hệ giữa các hiện tượng điện và từ

Quan niệm của Gin-bơt đã tồn tại cho đến năm 1820, trước khi nhà Vật lýngười Đan Mạch Ơ-xtét (Han Christian Oersted, 1777-1851) phát minh ra từtrường của dòng điện Ông thấy rằng nếu đặt một dây dẫn ở cạnh một kim namchâm rồi cho dòng diện chạy qua dây dẫn thì kim nam châm sẽ quay lệch đi Khiđổi chiều dòng điện chạy qua kim nam châm lệch theo chiều ngược lại

Thí nghiệm này chứng tỏ dòng điện tác dụng lên nam châm và có mối liên hệ mậtthiết giữa chiều dòng điện với chiều của lực tương tác Như vậy giữa dòng điện vànam châm có cùng chung một bản chất Do đó bằng suy luận lôgic, nam châmcũng tác dụng được lên dòng điện Thật vậy, nếu đưa một thanh nam châm lại gầnmột cuộn dây có dòng điện, cuộn dây có thể bị hút hoặc đẩy bởi nam châm.Tương tác giữa nam châm với dòng điện cũng có cùng bản chất với tương tác giữahai nam châm, do đó cũng được gọi là tương tác từ

Cũng bằng lập luận tương tự, giữa nam châm có tương tác, giữa nam châm

và dòng điện cũng có tương tác, do đó giữa các dòng điện cũng có tương tác Điềunày đã được nhà Vật lý người Pháp Am-pe (André Mari Amperè, 1775 – 1836) tìm

ra bằng thực nghiệm Ông nhận thấy rằng hai dây dẫn thẳng đặt song song vớinhau với nhau sẽ hút nhau nếu trong hai dây dẫn có dòng điện cùng chiều và đẩynhau nếu có dòng điện trái chiều

Như vậy, thực nghiệm cho thấy có sự tương tác giữa dòng điện với namchâm, giữa hai dòng điện với nhau, giữa các nam châm, các tương tác đó gọi

chung là tương tác từ.

Một điều hết sức lưu ý là mặc dù giữa các hiện tượng điện và từ có mối liên

hệ với nhau nhưng tương tác từ có bản chất khác với tương tác điện Tương tácđiện xuất hiện khi có các điện tích và phụ thuộc vào vị trí, độ lớn của các điện tích

đó Tương tác từ chỉ xuất hiện khi có các dòng điện và phụ thuộc vào các dòngđiện đó

Chính xác hơn, tương tác từ xuất hiện khi các điện tích chuyển động và phụ thuộc vào tính chất của chuyển động đó Giữa các dòng điện có tương tác từ

vì dòng điện là các dòng điện tích chuyển động Giữa nam châm với dòng điện cótương tác từ vì trong nam châm cũng có những dòng điện mà Am-pe gọi là dòngđiện phân tử Ngày nay, dòng điện phân tử được hiểu là dòng điện do vận độngnội tại của các hạt mang điện trong nguyên tử và hạt nhân gây ra Bản chất và quyluật của vận động nội tại này chỉ có thể được làm rõ trong khuôn khổ cơ họclượng tử

Cũng cần nói thêm rằng, mặc dù tương tác điện và tương tác từ là hai loạitương tác nhưng sau này Mắc-xoen (James Clerk Maxell, 1831 - 1879) đã thốngnhất được hai loại tương tác này và gọi chung là tương tác điện từ Lực tương tác

từ là một phần của lực tương tác điện từ giữa các hạt tích điện chuyển động

2.2 Khái niệm từ trường

Khi xét tương tác từ, tương tự như khi xét tương tác giữa các điện tích

Thường gặp các câu hỏi như:Tại sao giữa hai dây dẫn mang dòng điện đặt gần nhau lại có tương tác? Khi chỉ có một dòng điện thì trong không gian quanh nó

có gì biến đổi không?

Lịch sử Vật lý đã xuất hiện hai cách trả lời cho các câu hỏi trên Cách thứnhất là theo quan điểm tương tác xa Theo quan điểm này, dòng điện I1 sẵn cónhững khả năng tác dụng lên dòng I2 ở xa nó, không cần truyền tương tác Khidòng điện I1 xuất hiện, dù ở xa thì dòng điện ngay lập tức tác dụng lên dòng I2.Như vậy, vận tốc truyền tương tác là vô hạn, không cần không gian truyền tươngtác và không gian xung quanh không có sự biến đổi và không tham gia vào quátrình tương tác Cách trả lời này là siêu hình và thiếu thuyết phục

Cách thứ hai là quan điểm tương tác gần Quan điểm này lần đầu tiên đượcPha-ra-đây nêu lên và sau đó được Moắc-xoen hoàn thiện Theo đó, sở dĩ haidòng điện có tương tác vì xung quanh mỗi dòng điện đều có từ trường Ngày nayngười ta cho rằng tác dụng từ của dòng điện I1 lên dòng điện I2 đặt gần nó là nhờmột dạng vật chất phân bố liên tục, tồn tại xung quanh dòng điện I1 Dạng vật chất

đó gọi là từ trường của dòng điện I1 Ngược lại dòng điện I2 tác dụng lên dòng điệnI1 cũng thông qua từ trường của nó Như vậy nếu chỉ có một dòng điện thì khônggian xung quanh cũng biến đổi vì có sự xuất hiện của từ trường Từ trường luôngắn liền với dòng điện cũng như điện trường luôn gắn liền với điện tích

Vật lý học hiện đại đã xác nhận sự đúng đắn của cách trả lời thứ hai Vậy, từ trường là môi trường xung quanh hạt mang điện chuyển động Tính chất cơ bản của từ trường là có tác dụng từ lên hạt mang điện khác chuyển động trong nó.

Nhờ tính chất này, ta có thể nhận biết được sự hiện diện của từ trường vàkhảo sát các đặc trưng của nó Kim nam châm nhỏ thường dùng để phát hiện từtrường gọi là nam châm thử Vai trò của nam châm thử tương tự như vai trò củađiện tích thử khi khảo sát điện trường

Từ trường không phải chỉ là một khái niệm trừu tượng dùng để mô tảtương tác từ mà là một thực thể vật lý tồn tại khách quan giống như điện trường.Điện tích đứng yên là nguồn gốc của điện trường tĩnh Các điện tích chuyển độngvừa là nguồn gốc của điện trường vừa là nguồn gốc của từ trường

Nghiên cứu từ phổ của từ trường các dòng điện, người ta nhận thấy cácđường cảm ứng từ là những đường cong khép khép kín Mà một từ trường có các

đường sức khép kín gọi là một trường xoáy Do đó, từ trường là một trường xoáy

hay có tính chất xoáy và đây là điểm khác nhau cơ bản giữa điện trường và từ

trường Như ta đã biết, các đường sức điện trường tĩnh đi ra từ các hạt mang điệndương và đi vào các hạt mang điện âm, chúng là các đường cong hở Vì vậy, điệntrường tĩnh không phải là một trường xoáy Trái lại các đường cảm ứng từ lànhững đường cong kín, chúng không có điểm xuất phát cũng không có điểm tậncùng Từ đó, người ta đã cho rằng trong tự nhiên không tồn tại các "từ tích" Bởi vìnếu như có các hạt mang từ tích là nguồn gốc sinh ra từ trường (giống như các hạtmang điện tích đứng yên là nguồn gốc sinh ra điện trường tĩnh ) thì các đườngcảm ứng từ cũng sẽ phải xuất phát từ các loại hạt mang từ tích dương (quy ước là

"từ tích dương" chẳng hạn) và tận cùng trên các hạt mang từ tích âm và như vậyphải là những đường cong hở Và như vậy sẽ tồn tại những nam châm đơn cực từ,song cho đến nay chưa phát hiện và chế tạo được các nam châm đơn cực từ vàgiả thuyết về "từ tích" đã bị bác bỏ

2.3 Khái niệm cảm ứng từ

2.3.1 Định luật Bi-ô - Sa-va - La-pla-xơ

B

ur

Từ trường có đặc trưng là tác dụng lực từ lên hạt mang điện chuyển

động trong nó Đại lượng vật lý đặc trưng cho từ trường về mặt tác dụng lực là cảm ứng từ kí hiệu

Cảm ứng từ là một đại lượng vectơ, có vai trò tương tự như vectơ cường độđiện trường trong điện trường Từ công thức định luật Am-pe về tương tác giữahai phần tử dòng điện:

1 1 3

I l I l.rF= k

Ta thấy

3

I l.rB= k

không chứa phần tử I l1∆uur1

- Chiều sao cho ba vectơI l∆

- Độ lớn ∆B được xác định bởi công thức :

Thông thường người ta nói "từ trường của " thì ta ngầm hiểu đó chỉ làcách gọi tắt, thực ra phải nói là "cảm ứng từ của " Ngoài ra, "hướng của từtrường" ta cũng hiểu là "hướng của vec tơ cảm ứng từ".

Sau khi định nghĩa cảm ứng từ, ta có thể viết lại lực tác dụng của phần tử

đó ta phải sử dụng một nguyên lí gọi là nguyên lí chồng chất từ trường

2.3.2 Nguyên lý chồng chất từ trường

Điện trường tuân theo nguyên lý chồng chất điện trường Từ trường cũngtuân theo nguyên lý chồng chất Nguyên lí này có nội dung như sau:

Nguyên lí chồng chất trường là một nguyên lí phổ biến khi nghiên cứu cáctrường lực Thực chất nguyên lí này là một hình thức khác của một nguyên lí đãđược thừa nhận rộng rãi trong cơ học Niu-tơn đó là nguyên lí độc lập của các lựctác dụng.

2.3.3 Từ trường của điện tích chuyển động Tính tương đối của điện trường và

Xét từ trường do một phần tử dòng điện I l∆

uur

gây ra, theo định luật Biô

-Sa-va - La-pla-xơ, cảm ứng từ tại điểm M cách I l∆

uur

vec tơ r

r:

với

0μ

k =4π

Mặt khác I l = S.Δl.i = S.Δl.n e.v∆uur r 0 r

Vì phần tử Δl rất bé so với r nên cảm ứng từ do các điện tích tự do này gây

ra tại M là như nhau Từ đó, cảm ứng từ do một hạt mang điện gây ra tại M là:

3

v.rB= k.e

đứng yên có dòng điện chạy qua, do đó, vận tốc v

r

ở đây là vận tốc tương đối củahạt mang điện chuyển động với người quan sát Vì vậy, có thể thấy từ trường làmột khái niệm mang tính tương đối, phụ thuộc vào hệ quy chiếu Giữa khái niệmđiện trường và từ trường cũng có tính tương đối Xung quanh một điện tích xác

định có thể là điện trường đối với hệ quy chiếu này nhưng có thể là từ trường đốivới hệ quy chiếu khác Tương tự như vậy đối với khái niệm tương tác điện vàtương tác từ, chúng cũng có tính tương đối Tương

tác giữa các điện tích trong hệ quy chiếu các điện

tích đứng yên là tương tác điện nhưng trong hệ quy

chiếu mà các điện tích chuyển động lại là tương tác

từ Như vậy, nguồn gốc của tính tương đối giữa điện

trường và từ trường là do việc chọn các hệ quy

chiếu gây nên

Công thức (2.4.6) chỉ áp dụng đối với hạt

mang điện chuyển động nhỏ so với vận tốc ánh sáng Trong trường hợp tổng quát,thuyết tương đối đã chứng minh được tính tương đối của điện trường và từtrường Cụ thể, trong hệ quy chiếu K0 là hệ quy chiếu gắn với điện tích q, ta quan

sát được điện trường E0

uur tại r0

Đối với hệ quy chiếu quán tính K,

trong đó điện tích q chuyển động với vận tốc v

r theo phương Ox, quan sát được

từ trường B

r

, đồng thời cũng quan sát được điện trường E

ur Các hệ thức liên hệ là:

0 2

E = E ,1

Đường sức từ là đường cong có hướng được

vẽ trong từ trường sao cho hướng của tiếp tuyến tại bất kỳ điểm nào trên đường cũng trùng với hướng của vectơ cảm ứng từ tại điểm đó

Thực nghiệm cho thấy các nam châm thử định hướng theo các đường sức

Sự sắp xếp nhiều nam châm thử trong từ trường (chẳng hạn từ trường một namchâm thẳng) cho ta hình dung về đường sức từ của từ trường đó Chiều đườngsức từ là chiều đi từ cực Nam sang cực Bắc của nam châm thử nằm cân bằngtrong từ trường

- Các đường sức từ không cắt nhau;

- Nơi nào cảm ứng từ lớn hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ mau hơn (dàyhơn), nơi nào cảm ứng từ nhỏ hơn thì các đường sức từ ở đó vẽ thưa hơn

Tính chất từ thứ nhất có thể suy ra từ định nghĩa của đường sức từ Bất kìđiểm nào trong từ trường cũng có cảm ứng từ, vì vậy đều có thể vẽ được đườngcong nhận nó làm tiếp tuyến

Tính chất thứ hai của đường sức từ là sự thể hiện tính chất xoáy của từtrường

Tính chất thứ ba nhằm đảm bảo tính duy nhất của cảm ứng từ tại mỗi điểm.Thật vậy, giả sử tại một điểm có hai đường sức cắt nhau thì ở điểm đó phải có haitiếp tuyến, do đó có hai vec tơ cảm ứng từ tại điểm đó điều này mâu thuẫn vớicảm ứng từ là duy nhất, đặc trưng cho từ trường tại điểm đó Tính chất thứ nhất

và thứ ba có vẻ như mâu thuẫn nhau theo lập luận rằng: nếu bất cứ điểm nàocũng có thể vẽ đường sức từ đi qua thì mật độ các đường sức từ phải như nhau vàđều vô hạn, không thể so sánh mau hơn hay thưa hơn Tuy nhiên cần hiểu rằng

đường sức từ chỉ là mô hình, mau hay thưa chỉ là so sánh tương đối, việc vẽ mauhay thưa là quy ước, do đó không hề có mâu thuẫn giữa tính chất thứ nhất và thứtư.

2.4.3 Khái niệm từ phổ

Đường sức từ xác định như trên là dùng phương pháp toán học thuần túy.Trong thực tế, để xác định đường sức từ người ta dùng phương pháp thựcnghiệm

Dùng mạt sắt rắc đều lên một tấm mica đặt trên nam châm, gõ nhẹtấm mica ta thấy các mạt sắt sắp xếp một cách có trật tự tạo thành các đườngcong Hình ảnh các "đường mạt sắt" thu được trong từ trường nam châm gọi là từ

phổ của nam châm Vậy, sự sắp xếp của mạt sắt cho ta hình ảnh của đường sức

từ trong không gian Hình ảnh đó gọi là từ phổ.

Dưới đây là hình ảnh của đường sức từ của nam châm thẳng và nam châmhình móng ngựa (còn gọi là nam châm chữ U)

Từ phổ chỉ cho biết về hình dạng và sự phân bố của các đường sức từ chứchưa biết chiều của đường sức từ Để xác định chiều của đường sức từ cần căn cứ

vào sự định hướng của nam châm thử trong từ trường Khi đó đường sức có chiều

đi xuyên qua nam châm thử từ cực Nam tới cực Bắc

Các hình ảnh dưới đây là từ phổ giữa các nam châm khi đặt các cực cùngtên gần nhau hoặc các cực khác tên gần nhau Dựa vào từ phổ này, có thể hìnhdung được từ trường ở giữa các nam châm

2.4.4 Khái niệm từ trường đều

Từ trường có cảm ứng từ tại mọi điểm đều bằng nhau gọi là từ trường đều.

Theo định nghĩa và tính chất của đường sức từ thì từ trường đều có các đường sức là các đường thẳng song song và cách đều nhau Thật vậy, theo định

nghĩa đường sức từ, nếu các đường sức từ không phải là các đường thẳng song

song thì cảm ứng từ B

r không thể cùng phương Nếu các đường sức từ khôngcách đều nhau thì độ lớn cảm ứng từ theo quy ước sẽ khác nhau

Có thể tạo ra từ trường đều giữa các nam châm Nếu các cực khác tên càngnằm gần nhau và mặt phẳng của các đầu mút của nam châm càng lớn thì từtrường càng đều Từ phổ của một nam châm hình chữ U cho thấy các “đường mạtsắt” ở giữa hai cực của nam châm là các đường gần như song song với nhau và

cách nhau khá đều Từ đó, có thể coi từ trường trong khoảng giữa hai cực namchâm hình chữ U là từ trường đều

2.5 Khái niệm sự từ hóa các chất

2.5.1 Định nghĩa sự từ hóa các chất

Đặc điểm của sự từ hóa làsự xuất hiện một từ trường phụ khi đặt vật chấttrong từ trường ngoài Các chất khác nhau thì đặc điểm từ trường phụ khác nhau.Các chất khi đặt trong từ trường ngoài thì được gọi là từ môi hay vật liệu từ;

2.5.2 Phân loại vật liệu từ

Căn cứ vào đặc điểm của từ trường phụ, người ta phân loại vật liệu từthành 3 loại:

Chất thuận từ: chất có từ trường phụ cùng chiều với từ trường ngoài và có độ

lớn rất nhỏ so với từ truờng ngoài Ví dụ như nhôm, vônfram, ôxi, nitơ, khôngkhí

Chất nghịch từ: chất có từ truờng phụ ngược chiều với từ trường ngoài và độ lớn

rất nhỏ so với từ trường ngoài Ví dụ như bismut, đồng, beri, vàng, bạc, bo, nước,các khí trơ

Chất sắt từ: chất có từ trường phụ cùng chiều với từ trường ngoài và độ lớn xấp

xỉ hoặc có thể lớn hơn từ trường ngoài rất nhiều Ví dụ như sắt, niken, coban, cáckim loại thuộc nhóm đất hiếm và một số hợp kim của sắt

Hiện tượng từ hóa các chất có thể được giải thích theo thuyết miền từ hóa

tự nhiên và các hiệu ứng từ ở cấp độ nguyên tử Chẳng hạn tính từ hóa mạnh củacác chất sắt từ được giải thích bằng thuyết miền từ hóa tự nhiên

Theo thuyết này, các chất sắt từ có cấu trúc đặc biệt về

phương diện từ, bao gồm nhiều miền từ hóa tự nhiên gọi là

đô men từ Sự tạo thành các đô men từ là do tương tác

giữa các nguyên tử săt từ Mỗi nguyên tử tương đương với

một nam châm nhỏ, chúng tương tác với nhau dẫn tới trạng

thái là các mô men từ của chúng song song cùng chiều Kết

quả là mỗi đô men từ tương đương với một kim nam châm

nhỏ Mỗi đô men từ có kích thước cỡ 0,01 đến 0,1mm và

chứa khoảng 1017 đến 1021 nguyên tử Bình thường các "kim

nam châm nhỏ" này sắp xếp hỗn độn Vì vậy từ trường tổng

hợp của cả mẫu chất sắt từ bằng không Khi đó các chất sắt từ không có từ tính(hình a)

Nếu mẫu chất sắt từ được đặt trong từ trường ngoài thì dưới tác dụng của

từ trường ngoài, các đô men từ có mô men từ hợp với từ trường ngoài một gócnhọn sẽ được mở rộng ra còn các đô men từ có mô men từ hợp với từ trườngngoài một góc tù sẽ bị thu hẹp dần và biến mất Toàn bộ khôi sắt từ chỉ bao gồmcác đô men có mô men từ gần cùng hướng với từ trường ngoài Mô men từ củatoàn bộ khối sắt từ khác không và khối chất sắt từ trở thành nam châm tức có từtính (hình b)

Khi ngắt từ trường ngoài, do có những lực tương tác kiểu như "lực ma sát" giữa các đô men từ, sự sắp xếp các đô men không hoàn toàn khôi phục lại trạng thái hỗn loạn ban đầu nên mẫu sắt từ vẫn có từ tính Sự tồn tại của các đô men trong chất sắt từ đã được thực nghiệm chứng minh Có thể quan sát trực tiếp các đô men bằng kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử

Ban đầu khi B0=0 thì B'=0.

Khi B0 tăng theo chiều dương, B' tăng theo, lõi sắt bị từ hóa Khi B0 đạt giá

trị cực đại thì B' đạt giá trị cực đại (điểm A)

Khi giảm Bo thì B' cũng giảm theo Khi B0=0, giá trị B' không triệt tiêu màbằng một giá trị Bd gọi là giá trị từ dư

Đổi chiều dòng điện qua khung dây, và tăng độ lớn (độ lớn B0 tăng theochiều âm) thì B' giảm Khi B'=0 lõi sắt không còn từ tính nữa, độ lớn của B0 ứng vớigiá trị đó gọi là giá trị khử từ Bk

Tiếp tục tăng cường độ dòng điện (B0 tăng theo chiều âm) B' cũng tăng theochiều âm, lõi sắt lại bị từ hóa nhưng từ trường ngược với trước Khi B0 đạt cực đại(theo chiều âm) thì B' cũng đạt giá trị cực đại (điểm A')

Giảm dần cường độ dòng điện (độ lớn của B0 giảm), B' giảm theo Khi B0=0thì lõi sắt vẫn còn từ tính với cảm ứng từ có giá trị Bd (theo chiều âm)

Đổi chiều dòng điện và tăng dần cường độ dòng điện theo chiều dương (B0tăng theo chiều dương), B' giảm dần độ lớn Khi B' = 0 thì B0 tương ứng với giá trịkhử từ Bk

Tiếp tục tăng B0, B' tăng đến giá trị cực đại (điểm A)

Đường cong biểu diễn sự biến thiên của từ trường phụ B'

uur trong lõi sắt theo

từ trường ngoài B0

uur (đường OAA'A) gọi là đường cong từ hóa Trường hợp từ

trường ngoài B0

uur biến thiên điều hòa, đường cong từ hóa là đường cong khép kín,đường cong kín đó được gọi là chu trình từ trễ

Hiện tượng khi từ hóa vật chất, đường cong từ hóa lúc tăng từ trường

ngoài không trùng với lúc giảm từ trường ngoài gọi là hiện tượng từ trễ.

cực Bắcđịa lí

cực từ Bắc cựcđịa lí

cực từ

xíchđạo

2.6 Khái niệm từ trường Trái Đất

2.6.1 Khái niệm các cực từ của Trái Đất, độ từ thiên, độ từ khuynh

Trái Đất có hai địa cực là Bắc cực và Nam cực, đó là hai cực địa lý của Trái

Đất Về phương diện từ, Trái Đất có thể xem là một nam châm khổng lồ có hai cực là cực từ Bắc và cực từ Nam Khi đặt một nam châm thử nằm cân bằng trên

mặt đất thì cực Bắc của kim nam châm hướng về phía cực Bắc địa lý, còn cực Namkim nam châm hướng về cực Nam địa lý Như vậy vị trí cực từ Bắc của "nam châmTrái Đất" gần trùng với cực Nam địa lý còn cực từ Nam gần với cực Bắc địa lý

Nguyên nhân chính xác về từ trường của Trái Đất đến nay vẫn chưa được làm rõ

Trên thực tế vị trí các cực từ của Trái Đất có sự biến đổi theo thời gian Hiện nay,cực từ Bắc không trùng với cực Nam địa lý và cực từ Nam không trùng với cực Bắc

địa lý Do đó, các đường sức từ trên mặt đất không trùng với các đường kinh

tuyến Giữa chúng có một góc lệch gọi là độ từ thiên hay góc từ thiên.

Độ từ khuynh là góc lệch giữa trục kim nam châm và mặt phẳng nằm ngang.

2.6.2 Khái niệm hiện tượng bão từ

Các yếu tố của từ trường Trái Đất tại bất cứ điểm nào trên Trái Đất cũngluôn biến đổi theo thời gian Nhưng biến đổi này xảy ra rất phức tạp, có nhữngbiến đổi xảy ra theo chu kỳ hàng thế kỉ, có những biến đổi xảy ra theo mùa, cónhững biến đổi biến đổi giữa ngày và đêm Tuy nhiên đó là những biến đổi có tính

địa phương Chỉ những biến đổi từ trường Trái Đất trên quy mô toàn cầu mới gọi là bão từ.

Những bão từ yếu thường không liên quan đến hoạt động của Mặt Trời vìcác cơn bão từ loại này xảy ra thường xuyên, hầu như tháng nào cũng có vài cơnbão từ yếu Những cơn bão từ mạnh thường chỉ xảy ra khi có những hoạt độngmạnh của Mặt Trời

Định nghĩa

Bão từ hay còn gọi là bão địa từ trên Trái Đất là những thời kỳ mà kim la bàndao động mạnh

Nguyên nhân

Nguyên nhân gây ra bão từ là do dòng hạt mang điện phóng ra từ các vụ bùng

nổ trên Mặt Trời tác dụng lên các đường cảm ứng từ của Trái Đất Trên một số

hành tinh khác trong hệ Mặt Trời, nhất là các hành tinh nằm gần Mặt Trời và có từquyển (như Sao Kim) cũng có hiện tượng tương tự

Giải thích

Các dòng hạt mang điện phóng ra từ Mặt Trời

sinh ra một từ trường, có độ lớn vào khoảng

6.10-9 tesla

Trường này ép lên từ trường Trái Đất làm

cho từ trường nơi bị ép tăng lên

Khi từ trường Trái Đất tăng lên, từ thông sẽ biến thiên và sinh ra một dòngđiện cảm ứng chống lại sự tăng từ trường của Trái Đất (theo định luật Lenz)

Dòng điện cảm ứng này có thể đạt cường độ hàng triệu ampe chuyển độngvòng quanh Trái Đất và gây ra một từ trường rất lớn tác dụng lên từ trường TráiĐất

Thời kỳ có bão từ là thời kỳ rất nguy hiểm cho người có bệnh tim mạch bởi

vì từ trường ảnh hưởng rất mạnh đến hoạt động của các cơ quan trong hệ tuầnhoàn của con người Ngoài ra từ trường của Trái Đất cũng giúp cho một số loàiđộng vật thực hiện một số chức năng sống của chúng như là chức năng địnhhướng do đó bão từ cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến sự sinh sốngcủa các loài này

Ảnh hưởng của bão từ

Sự biến đổi đột ngột này tác động vào các tế bào mang từ trong tim và nãonên ảnh hưởng không nhỏ tới người áp huyết cao, bệnh nhân tim mạch và thầnkinh Do tác động của bão từ, từ trường Trái đất bị biến đổi mạnh, đe doạ tới hệ

thống truyền tải điện năng, chẳng hạn hệ thống điện 500kV Bắc-Nam ở Việt Nam.Ngoài ngành điện bị ảnh hưởng, theo giới chuyên môn, một số ngành kinh tế khácnhư dầu khí, viễn thông cũng bị ảnh hưởng Ví dụ, về viễn thông, bão từ cũng gâygián đoạn tín hiệu radio sóng ngắn Đợt bão từ xảy ra ở Việt Nam gần đây nhất bắtđầu từ ngày 17/1/2005, thuộc loại bão từ rất lớn, gồm nhiều bão từ chồng liêntiếp lên nhau Việt Nam hiện có hệ thống 4 đài địa từ để ghi biến thiên từ, bão từcũng như phục vụ công tác nghiên cứu và dự báo bão

2.6.3 Khái niệm hiện tượng cực quang

Trong thiên văn học, cực quang là một hiện tượng quang học kì thú Cựcquang giống như một "màn sáng" huyền ảo ở trên cao tới vài trăm kilômét Cựcquang chỉ xảy ra ở những miền có vĩ độ lớn

Nguyên nhân của cực quang là do lực Lo-ren-xơ tác dụng lên các hạt mangđiện khi các hạt này chuyển động gần các cực từ của Trái Đất Đó là lí do giải thíchtại sao cực quang chỉ xảy ra gần vùng cực (nơi gần các cực từ của Trái Đất) Dònghạt này chuyển động trong từ trường Trái Đất và va chạm với các phân tử khítrong khí quyển, quá trình va chạm làm iôn hóa chất khí và kèm theo sự phátquang Vì trong khí quyển có nhiều loại khí nên ánh sáng phát ra có nhiều màu vàthay đổi Điều này tạo nên vẻ đẹp của hiện tượng cực quang Hình ảnh dưới đây làcực quang ở gần Bắc cực

Các hạt mang điện gây nên hiện tượng cực quang thường là các chùm iôn

năng lượng cao từ Mặt Trời (còn gọi là "gió Mặt Trời") bay đến Trái Đất.Chính vìvậy,các cực quang mạnh nhất có xu hướng diễn ra trong thời kì hoạt động mạnhcủa Mặt Trời

Vậy, hiện tượng các hạt mang điện từ các tia vũ trụ, gió Mặt Trời bay đến Trái Đất, dưới tác dụng của lực Lo-ren-xơ làm cho chúng chuyển động gần vùng cực và tương tác với khí quyển Trái Đất tạo ra những màn sáng thay đổi gọi là hiện tượng cực quang.

PHẦN II: TỪ TRƯỜNG CỦA DÒNG ĐIỆN TRONG CÁC MẠCH ĐƠN GIẢN

2.7 Khái niệm từ trường của những dòng điện trong mạch có dạng đơn giản

Để tính cảm ứng từ của một dòng điện có hình dạng bất kỳ cần vận dụng địnhluật Bi-ô – Sa-va - la-pla-xơ và nguyên lý chồng chất từ trường Theo (2.4.1), cácphần tử dòng điện gây ra cảm ứng từ :

I l.rB= k

r

(2.6.2)

2.5.1 Từ trường của dòng điện trong dây dẫn thẳng

Xét một dây dẫn thẳng dài, có dòng điện cường độ I đi qua Giả thiết dây dẫn cótiết diện nhỏ và chiều dài vô hạn Xác định cảm ứng từ gây bởi dây dẫn tại điểm Pcách dây dẫn một khoảng a

Chia dòng điện thành các phần tử nhỏ chiều dài Δs (trong phép tính tích phân

thay bằng ds) Xét phần tử có tọa độ r

r, cảm ứng từ do nó gây ra tại P là

3

I s.rμ

Việc tính tổng này thực tế được thay bằng phép tính tích phân Trong phép

tính tích phân, phần tử chiều dài dây dẫn Δs được thay bằng vi phân chiều dài ds.Giá trị biểu thức (2.6.3) được tính bằng tích phân sau

0

2

μ I.sinθ.dsB= dB=

∫ ∫

Đổi biến số:

a

x = a.cotgθ; r =

sinθ

Kết quả ở (2.6.4) thu được khi giả thiết dây dài vô hạn nên cận tích phân lấy

từ 0 đến π Trong trường hợp dây dài hữu hạn thì:

- Chiều tuân theo quy tắc nắm tay phải.

` Trên thực tế, không có dòng điện thẳng dài vô hạn mà dòng điện bao giờ

cũng khép kín và hữu hạn Khái niệm dòng điện thẳng dài trên thực tế được vận

dụng để tính cảm ứng từ tại một điểm cách dây một khoảng rất nhỏ so với chiềudài đoạn dây dẫn được khảo sát Bằng thí nghiệm về từ phổ và sự định hướng củacác nam châm thử ta có thể xác định được hình dạng và chiều của các đường sức

từ của từ trường do dòng điện thẳng dài gây ra

2.7.2 Từ trường của dòng điện trong khung dây tròn

Xét dòng điện có cường độ I, chạy trong dây dẫn mảnh hình tròn bán kính R (gọitắt là khung dây tròn) Ta xác định cảm ứng từ gây tại một điểm M trên trục củakhung dây tròn, cách tâm của vòng tròn một khoảng h

μ I lB= 4π r